خط متوازن

في مجال الاتصالات السلكية واللاسلكية والصوت الاحترافي ، يُعرف الخط المتوازن أو زوج الإشارة المتوازنة بأنه دائرة كهربائية تتكون من موصلين من النوع نفسه، لكل منهما مقاومة متساوية على طوله، ومع الأرض ، ومع الدوائر الأخرى. ^{[ 1 ]} وتتمثل الميزة الأساسية لتنسيق الخط المتوازن في قدرته العالية على رفض الضوضاء والتداخلات ذات النمط المشترك عند تغذيته بجهاز تفاضلي مثل المحول أو المضخم التفاضلي . ^{[ 2 ]} ويُطلق على الجمع بين الخط المتوازن والإشارة التفاضلية في تطبيقات الصوت اسم الصوت المتوازن ، وهو شائع الاستخدام في تضخيم الصوت وتسجيله وإعادة إنتاجه .

يُعدّ الكابل المزدوج أحد الأشكال الشائعة للخطوط المتوازنة ، ويُستخدم في اتصالات الترددات الراديوية. كما يشيع استخدام الزوج المجدول ، المستخدم في الهواتف التقليدية، والصوت الاحترافي، أو لنقل البيانات. ويُقارن هذا النوع من الخطوط بالخطوط غير المتوازنة ، مثل الكابل المحوري ، المصمم بحيث يكون موصل الإرجاع فيه متصلاً بالأرض ، أو الدوائر التي يكون موصل الإرجاع فيها هو الأرض فعلياً (انظر التلغراف الأرضي ). ويمكن ربط الدوائر المتوازنة وغير المتوازنة باستخدام جهاز يُسمى بالون .

يجب أن تكون الدوائر التي تغذي الخطوط المتوازنة متوازنة هي الأخرى للحفاظ على مزايا التوازن. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق اقتران المحولات ( ملفات التكرار ) أو ببساطة عن طريق موازنة المعاوقة في كل موصل.

غالباً ما يُشار إلى الخطوط التي تحمل إشارات متناظرة (ذات سعة متساوية ولكن قطبية متعاكسة على كل فرع) خطأً باسم "متوازنة"، ولكن هذا في الواقع إشارة تفاضلية . كثيراً ما يُستخدم مصطلحا "الخطوط المتوازنة" و"الإشارة التفاضلية" معاً، لكنهما ليسا الشيء نفسه. فالإشارة التفاضلية لا تجعل الخط متوازناً، كما أن رفض الضوضاء في الكابلات المتوازنة لا يتطلب إشارة تفاضلية.

يقلل نقل الإشارة عبر خط متوازن من تأثير الضوضاء أو التداخل الناتج عن المجالات الكهربائية الخارجية المتسربة. تميل أي مصادر إشارة خارجية إلى توليد إشارة ذات نمط مشترك فقط على الخط، كما أن المعاوقات المتوازنة مع الأرض تقلل من التقاط الإشارات التفاضلية الناتجة عن المجالات الكهربائية المتسربة. تُلف الموصلات أحيانًا معًا لضمان تعرض كل موصل بالتساوي لأي مجالات مغناطيسية خارجية قد تُسبب ضوضاء غير مرغوب فيها.

تحتوي بعض الخطوط المتوازنة أيضًا على درع كهرساكن لتقليل التشويش. غالبًا ما يُغلّف الكابل برقائق معدنية أو سلك نحاسي أو جديلة نحاسية. يوفر هذا الدرع مناعة ضد تداخل الترددات اللاسلكية، ولكنه لا يوفر مناعة ضد المجالات المغناطيسية.

تستخدم بعض الخطوط المتوازنة كابلات رباعية الموصلات على شكل نجمة لتوفير مناعة ضد المجالات المغناطيسية. يضمن تصميم الكابل أن تُحدث المجالات المغناطيسية تداخلاً متساوياً في كلا طرفي الدائرة المتوازنة. هذا التداخل المتوازن هو إشارة الوضع المشترك التي يمكن إزالتها بسهولة بواسطة محول أو مستقبل تفاضلي متوازن. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

يُتيح الخط المتوازن لجهاز الاستقبال التفاضلي تقليل التشويش في الوصلة عن طريق رفض التداخل ذي النمط المشترك . تتمتع الخطوط بنفس المعاوقة بالنسبة للأرض، لذا تُحدث المجالات أو التيارات المتداخلة نفس الجهد في كلا السلكين. وبما أن جهاز الاستقبال يستجيب فقط للفرق بين السلكين، فإنه لا يتأثر بجهد التشويش المُستحث. أما إذا استُخدم خط متوازن في دائرة غير متوازنة، حيث تختلف معاوقة كل موصل بالنسبة للأرض، فإن التيارات المُستحثة في الموصلات المنفصلة ستُسبب انخفاضات جهد مختلفة بالنسبة للأرض، مما يُؤدي إلى تباين في الجهد، ويجعل الخط أكثر عرضة للتشويش. ومن أمثلة الأزواج الملتوية كابل الفئة 5 .

بالمقارنة مع الخطوط غير المتوازنة ، تقلل الخطوط المتوازنة من التشويش لكل مسافة، مما يسمح باستخدام كابلات أطول. ويعود ذلك إلى أن التداخل الكهرومغناطيسي يؤثر على الإشارتين بنفس الطريقة. وتُزال أوجه التشابه بين الإشارتين تلقائيًا في نهاية مسار الإرسال عند طرح إحداهما من الأخرى.

كان أول استخدام للخطوط المتوازنة في خطوط الهاتف. فالتداخل الذي كان ضئيلاً في نظام التلغراف (وهو نظام رقمي في جوهره) كان مزعجاً للغاية لمستخدمي الهاتف. وكان التصميم الأولي يعتمد على استخدام خطي تلغراف أحاديي السلك غير متوازنين. إلا أن هذا لم يكن كافياً مع نمو نقل الطاقة الكهربائية التي كانت تستخدم المسارات نفسها. فخط الهاتف الممتد بمحاذاة خط كهرباء لمسافات طويلة سيتعرض حتماً لتداخل أكبر في أحد طرفيه مقارنةً بالآخر، نظراً لقرب أحدهما من خط الكهرباء. وقد تم حل هذه المشكلة بتبديل موضع الطرفين كل بضع مئات من الأمتار باستخدام وصلة متقاطعة، مما يضمن تساوي التداخل في كلا الطرفين ويسمح لتقنية رفض التداخل المشترك بالعمل. ومع نمو نظام الهاتف، أصبح من الأفضل استخدام الكابلات بدلاً من الأسلاك المكشوفة لتوفير المساحة، وتجنب ضعف الأداء في الأحوال الجوية السيئة. وكان تركيب الكابلات المستخدمة في كابلات الهاتف المتوازنة عبارة عن أزواج ملتوية ، إلا أن هذا لم ينتشر على نطاق واسع إلا بعد توفر مضخمات الإشارة. بالنسبة لخط الهاتف غير المُضخّم، لم يكن كابل الزوج المجدول قادرًا على نقل الإشارة لمسافة تتجاوز 30  كيلومترًا. أما الأسلاك المكشوفة، ذات السعة المنخفضة، فقد استُخدمت لمسافات هائلة، كان أطولها خط  نيويورك-شيكاغو الذي يبلغ طوله 1500 كيلومتر والذي بُني عام 1893. استُخدمت ملفات التحميل لتحسين المسافة التي يمكن قطعها بالكابل، ولكن لم يُحلّ هذا الإشكال نهائيًا إلا مع بدء تركيب المُضخّمات عام 1912. ^{[ 8 ] : 323.} لا تزال خطوط الزوج المجدول المتوازنة تُستخدم على نطاق واسع في الحلقات المحلية ، وهي الخطوط التي تربط كل مشترك بمركز الاتصالات الخاص به . ^{[ 8 ] : 314-316}

خطوط الهاتف الرئيسية ، وخاصة أنظمة نقل البيانات بتقسيم التردد ، عادةً ما تكون دوائر رباعية الأسلاك وليست ثنائية الأسلاك (أو على الأقل كانت كذلك قبل انتشار الألياف الضوئية )، وتتطلب نوعًا مختلفًا من الكابلات. يتطلب هذا النوع من الكابلات ترتيب الموصلات في زوجين، أحدهما لإشارة الإرسال والآخر لإشارة الاستقبال. عادةً ما يكون التداخل بين دوائر الإرسال والاستقبال نفسها المصدر الأكبر للتشويش في هذا النوع من الإرسال. يُعدّ نظام الكابلات النجمي الرباعي الأكثر شيوعًا ، حيث تُشكّل الموصلات المتقابلة قطريًا الأزواج. يوفر هذا التصميم الهندسي أقصى قدر من رفض الوضع المشترك بين الزوجين. أما نظام الكابلات الرباعي DM (ديزلهورست-مارتن) فهو بديل، ويتكون من زوجين ملتويين بزوايا لف مختلفة. ^{[ 8 ] : 320}

من أمثلة الخطوط المتوازنة توصيل الميكروفونات بجهاز المزج في الأنظمة الاحترافية. تقليديًا، كانت الميكروفونات الديناميكية والمكثفة تستخدم محولات لتوفير إشارة الوضع التفاضلي . ورغم أن المحولات لا تزال تُستخدم في الغالبية العظمى من الميكروفونات الديناميكية الحديثة، إلا أن الميكروفونات المكثفة الأحدث تستخدم على الأرجح دوائر إلكترونية. يجب أن يكون لكل طرف، بغض النظر عن الإشارة، مقاومة متطابقة مع الأرض. يُستخدم كابل مزدوج (أو ما يُشابهه مثل كابل النجمة الرباعية ) للحفاظ على توازن المقاومة، ويضمن اللف المحكم للأسلاك أن يكون أي تداخل مشتركًا بين الموصلين. شريطة ألا يُؤثر طرف الاستقبال (عادةً وحدة المزج ) على توازن الخط، وأن يكون قادرًا على تجاهل إشارات الوضع المشترك (الضوضاء)، واستخلاص الإشارات التفاضلية، فإن النظام سيتمتع بمناعة ممتازة ضد التداخل المُستحث.

تحتوي مصادر الصوت الاحترافية النموذجية، مثل الميكروفونات، على موصلات XLR ثلاثية الأطراف . يتصل أحدها بالهيكل أو الغلاف الأرضي، بينما يُستخدم الطرفان الآخران لتوصيل الإشارة. يمكن لأسلاك الإشارة أن تحمل نسختين من الإشارة نفسها بقطبية متعاكسة ( إشارة تفاضلية )، ولكن ليس بالضرورة. يُطلق عليها عادةً "الساخن" و"البارد"، ويشير معيار AES14-1992 (r2004) [ومعيار EIA RS-297-A] إلى أن الطرف الذي يحمل الإشارة الموجبة الناتجة عن ضغط هواء موجب على محول الطاقة يُعتبر "ساخنًا". تم تحديد الطرف 2 على أنه الطرف "الساخن"، ويُفيد هذا التحديد في الحفاظ على قطبية ثابتة في بقية النظام. بما أن هذه الموصلات تسلك المسار نفسه من المصدر إلى الوجهة، يُفترض أن أي تداخل يحدث على كلا الموصلين بالتساوي. يقارن الجهاز المُستقبل للإشارات الفرق بين الإشارتين (غالبًا دون مراعاة التأريض الكهربائي)، مما يسمح للجهاز بتجاهل أي ضوضاء كهربائية مُستحثة. أي ضوضاء مستحثة ستكون موجودة بكميات متساوية وبنفس القطبية على كل من موصلات الإشارة المتوازنة، وبالتالي سيبقى الفرق بين الإشارتين ثابتًا. يعتمد نجاح رفض الضوضاء المستحثة من الإشارة المطلوبة جزئيًا على تلقي موصلات الإشارة المتوازنة نفس الكمية والنوع من التداخل. وهذا ما يدفع عادةً إلى استخدام كابلات مجدولة أو مضفرة أو ذات غلاف مشترك لنقل الإشارات المتوازنة.

تفترض العديد من تفسيرات الخطوط المتوازنة وجود إشارات متناظرة (أي إشارات متساوية في المقدار ولكن ذات قطبية متعاكسة)، إلا أن هذا قد يؤدي إلى الخلط بين المفهومين، فتناظر الإشارة والخطوط المتوازنة مستقلان تمامًا عن بعضهما البعض. ^{[ 2 ]} من الضروري في الخط المتوازن أن تكون معاوقة الموصلين في كل من المُشغِّل والخط والمستقبل متطابقة (موازنة المعاوقة). تضمن هذه الشروط أن يؤثر التشويش الخارجي على كل فرع من فروع الخط بالتساوي، وبالتالي يظهر كإشارة نمط مشترك يرفضها المستقبل. ^{[ 2 ]} توجد دوائر تشغيل متوازنة تتميز بموازنة ممتازة لمعاوقة النمط المشترك بين الفروع، ولكنها لا توفر إشارات متناظرة. ^{[ 9 ] [ 10 ]} تتعلق الإشارات التفاضلية المتناظرة بنطاق الإشارة المتاح، وليست ضرورية لرفض التداخل. ^{[ 11 ]}

يتطلب توصيل الخطوط المتوازنة وغير المتوازنة استخدام محول بالون . على سبيل المثال، يمكن استخدام محولات البالون لإرسال إشارات صوتية بمستوى الخط أو إشارات حاملة إلكترونية من المستوى 1 عبر كابل محوري (غير متوازن) بطول 91 مترًا (300 قدم) من كابل الفئة 5 المتوازن ، وذلك باستخدام زوج من محولات البالون عند طرفي كابل CAT5. أثناء انتقال الإشارة عبر الخط المتوازن، يتولد تشويش ويُضاف إلى الإشارة. ولأن خط CAT5 متوازن المعاوقة بدقة، فإن التشويش يُحدث جهدًا متساويًا (جهد الوضع المشترك) في كلا الموصلين. عند طرف الاستقبال، يستجيب محول البالون فقط لفرق الجهد بين الموصلين، وبالتالي يرفض التشويش الملتقط على طول المسار ويحافظ على الإشارة الأصلية سليمة. 

كان من الاستخدامات الشائعة سابقًا لمحولات التوازن الترددية ( بالون) توصيلها بمنافذ هوائي جهاز استقبال التلفزيون . ففي العادة، كان مدخل هوائي ثنائي الأسلاك متوازن بمقاومة 300 أوم لا يمكن توصيله بكابل محوري من نظام تلفزيون الكابل إلا عبر محول التوازن.

المعاوقة المميزة${\displaystyle Z_{0}}$يُعدّ معامل نقل الطاقة في خط النقل أحد المعايير المهمة عند ترددات التشغيل العالية. بالنسبة لخط نقل متوازي ثنائي الأسلاك،

${\displaystyle Z_{0}={\frac {1}{\pi }}{\sqrt {\frac {\mu }{\epsilon }}}\ln \left({\frac {l}{R}}+{\sqrt {\left({\frac {l}{R}}\right)^{2}-1}}~\right),}$

أين${\displaystyle l}$نصف المسافة بين مركزي السلكين،${\displaystyle R}$نصف قطر السلك و${\displaystyle \mu }$،${\displaystyle \epsilon }$يمثلان على التوالي نفاذية وسماحية الوسط المحيط. ويُعدّ التقريب الشائع الاستخدام ، والذي يكون صالحًا عندما تكون المسافة بين السلكين أكبر بكثير من نصف قطر السلك وفي غياب المواد المغناطيسية، هو

${\displaystyle Z_{0}={\frac {120~\Omega }{\sqrt {\epsilon _{r}}}}\ln \left({\frac {2l}{R}}\right),}$

أين${\displaystyle \epsilon _{r}}$هي السماحية النسبية للوسط المحيط.

في مجال نقل الطاقة الكهربائية ، يُشار إلى الموصلات الثلاثة المستخدمة لنقل الطاقة ثلاثية الأطوار باسم الخط المتوازن، حيث أن المجموع اللحظي لجهود الخطوط الثلاثة يساوي صفرًا اسميًا. مع ذلك، فإن التوازن في هذا المجال يشير إلى تناظر المصدر والحمل، ولا علاقة له بتوازن معاوقة الخط نفسه، وهو المعنى المقصود في مجال الاتصالات.

بالنسبة لنقل الطاقة الكهربائية أحادية الطور كما هو مستخدم في كهربة السكك الحديدية ، يتم استخدام موصلين لنقل الفولتيات المتوافقة في الطور وغير المتوافقة في الطور بحيث يكون الخط متوازنًا.

تُعد خطوط نقل التيار المستمر ثنائية القطب التي يتم تشغيل كل قطب فيها بنفس الجهد باتجاه الأرض خطوطًا متوازنة أيضًا.

• زوج تفاضلي
• كابلات ثنائية المحور
• كابل مزدوج ملتوي

• خطوط متوازنة، وتزويد بالطاقة الوهمية، والتأريض، وأسرار غامضة أخرى - من ماكي